精油脂质体技术在食品工业中的应用研究进展

包沅鑫,涂倩,黄茂微,孙榕泽,曾珍,刘韫滔,惠腾,李诚

(四川农业大学 食品学院,四川 雅安,625000)

微生物生长繁殖是食品品质劣变的关键因素,为防止食品腐败变质,通常在食品中加入保鲜剂以延长货架期。食品保鲜剂按照来源可分为化学保鲜剂和天然保鲜剂。其中化学保鲜剂价廉且取材便捷,但存在潜在毒性。随着消费者安全意识的提高,追求更加绿色、安全的食品,天然保鲜剂无毒无害,广谱抑菌,逐步成为市场的新宠。植物精油(plant essential oil,PEO)安全无毒且具备良好的抗菌能力和抗氧化活性,被公认为良好的天然食品保鲜剂,成为替代化学添加剂的潜在选择之一[1]。然而PEO存在水溶性和稳定性较差的弊端,并常伴有刺激性气味限制了其在食品工业中的应用,因此,如何解决这些问题成为目前PEO的研究热点。

脂质体是具有闭合囊泡结构的磷脂双分子层材料,基于其结构可将营养成分、敏感成分、活性成分物质等包封形成纳米颗粒,并赋予表面效应和空间位阻效应,以达到保护或缓释作用,在食品工业领域受到广泛关注[2-3]。利用脂质体包埋技术将PEO封装于脂质体内可增强精油挥发物的稳定性,降低刺激性气味,延长活性成分的保留时间,有助于提高食品品质和功能性。目前在食品中关于PEO脂质体的应用还未进行详细地阐述。本文从PEO的抑菌性能和抗氧化活性机制、PEO脂质体概述、制备方法、稳定性及应用等方面展开综述,以期为PEO脂质体在食品领域中的应用研究提供理论参考。

1 植物精油概述

1.1 植物精油简介

PEO是一类从叶、根、茎或果实等部位通过蒸馏、萃取、微波处理等提取的油状非必需代谢产物[4]。根据化学成分,可将PEO分为四大类:萜类化合物(单萜类、倍半萜类和二萜类),芳香族化合物,脂肪族化合物,含氮、含硫类化合物等[5],其中主要是萜类和芳香族化合物赋予了PEO广谱抑菌性和抗氧化活性[6]。

1.2 植物精油活性功能

1.2.1 抗菌性

PEO的抗菌机制如图1所示,主要表现为对细胞膜结构和功能的破坏。PEO活性成分通过疏水作用与细胞膜相互作用并结合到细胞内,与疏水性蛋白质或其他化合物结合后促进膜组织的变化、膜电位的降低、离子和其他细胞内容物的泄漏。ALIZADEH BEHBAHANI等[6]将孜然精油作用于大肠杆菌和李斯特菌,改变了细胞的膜结构,内容物溢出导致细菌的死亡;艾蒿精油对金黄色葡萄球菌的抑制作用表现为蛋白质和钾离子的外渗[7]。PEO能够干扰微生物体内能量代谢过程[8]。此外PEO还能结合蛋白质如酶作用位点抑制酶系统和改变遗传物质[9],樟脑精油通过调控大肠杆菌基因的表达以抑制大肠杆菌的生长[10]、肉桂精油影响金黄色葡萄球菌菌体蛋白的二级结构,同时造成菌体细胞膜破损,内容物溶出[11]。这表明PEO的抗菌性是一种或多种抗菌机制协同发挥作用[12]。

图1 PEO的抑菌机制Fig.1 Antibacterial mechanisms of plant essential oil

1.2.2 抗氧化性

PEO作为抗氧化剂,其活性表现为单一成分或许多活性成分之间的协同作用[13],其作用机制通常表现为增强抗氧化酶的活性、防止链引发、自由基清除剂、还原剂、终止过氧化物、单线态氧形成的猝灭剂和过渡金属离子螯合等。夏光辉等[14]研究发现百里香精油对过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性等均具有显著改善作用,吴昊等[15]发现精油中存在共轭碳双键以及羟基,可以提供氢,抑制自由基和降低氧化应激。

1.3 植物精油在食品中的应用

PEO由于其良好的抗菌和抗氧化生理活性被广泛应用于食品保鲜,如李凯龙等[16]将1.5%肉桂精油添加到鱼片,抑制草鱼片冷藏期间菌落总数和嗜冷菌数的增加,观感和色泽保持时间延长;张依洁等[17]将0.05 g/kg丁香精油和0.1 g/kg青花椒精油复合后应用于酱卤鸭肉后,抑制了肉品脂质氧化,延长保质期。这表明精油的添加会提高肉品质,增强保藏效果。然而植物精油水溶性较低、稳定性差、对环境敏感,容易对食品的感官造成负面影响;同时PEO具有较强的气味、易挥发,从而导致食品风味发生改变[18],限制了其在食品工业中的发展。为提高应用范围,采用脂质体包埋等技术可有效改善精油的刺激性气味和稳定性,延长食品货架期。

2 精油脂质体概述

2.1 精油脂质体简介

脂质体是由磷脂和胆固醇作为膜材,制成的一种类似生物膜的脂质双层囊泡,有单室和多室之分,由于其具有生物相容性、靶向性、缓释性以及运输疏水和亲水生物活性化合物的独特能力而被广泛应用于医疗、化妆品、食品等领域[19]。PEO脂质体则是利用脂质体的两亲性,将水溶性差的植物精油小分子包埋于类脂双分子层之间,然后通过脂质体结构中的活性基团与PEO中的酚类、醛类等活性成分相互作用,从而形成具有抗菌、缓释、保鲜作用的功能脂质体[20]。在食品工业中,脂质体主要作为运输载体,保护一些功能性活性成分(如肽类、多酚类等)免受外界环境(pH值、氧气、酶等)的破坏作用,同时具有缓、控释作用。将精油成功包埋于脂质体可使精油在食品表面缓释,延长其抗菌时间,增强稳定性,提高生物利用率,改善食品品质[21]。图2是精油脂质体作用于食品的示意图。

图2 精油脂质体作用于食品Fig.2 Effects of essential oil liposome on food

2.2 精油脂质体的制备方法

PEO脂质体的制备方法按照其分散方法可分为机械分散法、溶剂分散法及其他脂质体新型制备技术,包括超声分散法、均质法、挤出法、注入法、反向蒸发法、加热法、薄膜分散法、注入法、喷雾冷却法、气泡法临界技术等。制备方法不同,脂质体性能也各有差异,包括脂质体粒径的均一性、包埋率、缓释效果等。表1列出了常见脂质体生产方法的优缺点,为精油脂质体在食品工业领域中的应用提供参考。

表1 脂质体制备方法Table 1 Liposome preparation method

2.3 精油脂质体的稳定性研究

2.3.1 环境因素对脂质体稳定性影响

开发和维持稳定的脂质体及其重要,存在如酸碱度、温度、离子强度等因素均会对精油脂质体制备、运输、贮存过程中的稳定性,脂质的氧化水解或脂质体药物缓释造成影响。pH值会影响脂质体的氧化水解,有研究表明在当pH值为6.5时,所制备脂质体的磷脂的水解反应速率常数最小,此时脂质体系统最牢固[34];温度上升会加剧脂质分子运动,脂质体膜通透性增加,氧化加剧,从而造成内容物的泄露。陈亮等[35]通过比较杜仲籽油脂质体在4、25、40 ℃下的贮藏稳定性,发现15 d后,4 ℃下脂质体的pH、丙二醛含量、包埋率及脂质体粒径情况均明显优于25 ℃和40 ℃;离子种类会对脂质体的表面电荷产生影响,Na+可与磷脂分子相互作用,有助于提高脂质体系统的稳定;K+环境中的脂质体更容易被破坏;Ca2+环境能促发脂膜自发组装形成大囊泡,提高体系稳定性[36]。同时离子浓度也会对脂质体产生影响,研究发现Na+、K+、Ca2+添加量分别在0.9～3 mmol/L、1～7 mmol/L、0.3～1 mmol/L可提高精油脂质体的稳定性[37]。

有学者发现脂质体制备过程中表面活性剂、修饰物的加入同样可以改善脂质体的稳定性。研究表明在脂质体系中添加一定量的吐温80通过物理作用吸附在脂质体膜形成一定厚度的亲水层,具有一定的空间位阻效应,能显著降低界面效应,形成稳定的乳化体系,使其比传统脂质体体系更加牢固[38];修饰物如蛋白、多糖等聚电解质表面修饰脂质体,可以改善脂质体的动力学稳定性,降低膜流动性以防止内容物泄露从而提高活性成分的持续释放效果[39],如LIN等[40]采用β-环糊精对百里香精油脂质体进行修饰后,脂质体的zeta电位提高,稳定性增加并表现出较高的包埋率和抗菌活性。GIBIS等[41]考察壳聚糖和果胶修饰脂质体并包封葡萄提取物,表明经过修饰后的脂质体具有长期氧化稳定性,且脂质体分散体在贮存期间物理稳定性长达150 d以上。

2.3.2 脂质体所处状态对其稳定性的影响

磷脂是常用的脂质体载体材料,在水中自组装形成的闭合囊泡可能会造成药物泄漏以及囊泡聚集融合形成更大的颗粒。因此常规方法制备的脂质体乳液可能无法长时间贮存。许多学者在控制环境因素的基础上进一步对脂质体所处状态进行研究,发现脂质体的凝胶化、固态化(冷冻干燥、喷雾干燥)等,可以有效抵御外界不良环境,降低药物损失,降低含水量,降低脂质体流动性,提高脂质体的稳定性、贮藏期和使用率。赵宁等[42]以白及多糖为凝胶基质交联黄藤素脂质体形成凝胶体系,对比脂质体悬浊液,在30 d内的粒径、电位变化程度小,物理及化学稳定性显著升高,包封率提高并增强长效缓释作用。GÜLTEKIN-ÖZGÜVEN等[43]使用壳聚糖涂层与麦芽糖糊精负载药物脂质体,并经过喷雾干燥形成花青素脂质体粉末,在极端pH和温度下,仍具有高保留率。

3 精油脂质体在食品中的应用

精油对食源性致病菌生长具有抑制作用,同时延缓氧化,精油脂质体利用脂质体体系的控制缓释提高精油利用率,进一步延长保质期并改善食品品质。目前可采用涂抹、浸泡、喷淋、成膜包裹等方式将脂质体应用于食品上。表2列出了精油脂质体在食品中的应用。

3.1 精油脂质体在鱼和水产品中的应用

鱼类及水产品具有较高的水分活度、丰富的营养物质和适宜的pH值,适合病原微生物生长,这使得鱼类和水产品的防腐和贮藏成为研究人员的重要课题。PEO脂质体的开发并运用在水产品上已有报道。以鱼类为基础的产品最容易受到铜绿假单胞菌、李斯特菌等的污染和生长,危害食品安全。LAEIN等[44]通过比较游离薄荷精油、薄荷精油脂质体以及明胶涂层结合脂质体使用,发现对比游离形式的精油,脂质体包埋薄荷精油具有更高的抗菌活性,并且当与涂层结合使用时,对防止鱼片中的微生物生长效果显著。这在CUI等[45]开发出的山苍子精油脂质体的可食用涂层中同样能够证明,精油脂质体涂层作用于4 ℃的鲑鱼对溶血性弧菌污染具有更高的抑制作用,延缓了鲑鱼的氧化,有效保持了鲑鱼的品质。表明经过脂质体包埋EO不仅具有更好的抗菌和抗氧化性,而且对水产品品质影响较小,具有较好市场前景。

3.2 精油脂质体在果蔬制品中的应用

新鲜果蔬水分含量高,不易贮藏,在运输和贮存不当会导致食品产业链的重大经济损失,PEO因其抗菌特性可以作为化学杀菌剂的天然替代品,防止果蔬中的真菌腐败同时延长果蔬的保质期。ALIKHANI-KOUPAEI[46]将迷迭香和柠檬提取物利用脂质体进行包裹,并对降低蔬菜中过氧化物和多酚氧化酶活性、促进酶促褐变和营养损害的酶的作用进行了评估,结果表明该精油脂质体抑制了蔬菜的氧化和褐变。然而脂质体乳液贮存过程中容易聚集和沉淀,XU等[47]利用β-环糊精作为干燥保护剂,制备百里香精油固体脂质体,提高脂质体材料的热稳定,作用在桃子上,抑制了采后褐腐病,保持采后果实品质。因此可以看出PEO脂质体可以用作新鲜果蔬的可食用涂层或喷雾,延长采后贮藏期,保持品质,该技术有望成为一种安全有效的延长新鲜果蔬保质期的方法。

3.3 精油脂质体在乳及乳制品的应用

乳及乳制品中的营养丰富, 微生物容易生长繁殖造成腐败。常见在奶酪中添加植物提取物或PEO有助于赋予风味和抑制病原微生物。GIL等[50]通过在脂质体中添加百里香精油,延长了精油中生物活性物质在奶酪中的有效时长,同时羊奶酪中的总酚含量提高,抗氧化活性也得到提升。CUI等[52]将含有5.0 mg/mL的柠檬草油的脂质体应用于奶酪中,极大限度地减少了李斯特菌的污染风险并延长有效的抗菌时间,并不会影响感官特性。这表明PEO脂质体在奶酪制品具有较大的市场前景。

表2 精油脂质体在食品中的应用Table 2 Applications of essential oil liposomes in food

3.4 精油脂质体在肉及肉制品中的应用

肉及肉制品由于富含蛋白质、脂肪等营养物质,易受到大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、单增李斯特菌等多种微生物污染[61],造成肉品腐败变质,同时氧气、水分活度、温度等因素也会对肉品品质造成不利影响。有研究表明经PEO脂质体处理的肉品,能够抑制肉品中的微生物生长、延缓脂质氧化、维持肉品良好的风味和感官并延长货架期[59]。ZHU等[62]将冷氮等离子处理的1%肉豆蔻精油固体脂质体应用于猪肉面糊的保鲜中,结果得出经脂质体技术处理后的肉样在贮藏4 d内微生物数量、脂质氧化、蛋白质的氧化和降解得到明显抑制,改善了肉组织的微观结构、保水能力和黏弹性,有效保护猪肉面糊在贮存过程中的功能成分,延长了货架期。经脂质体包封的PEO具有更持久的抗菌效果,同时经过PEO脂质体作用的肉品颜色质构及感官不会产生影响[58],这在CUI等[56]研究的百里香油脂质体中同样有所体现,精油脂质体作用在鸡肉中对肠炎沙门氏菌的抗菌活性明显,以及该鸡肉的色泽、风味、口感品质无明显差异。然而常规脂质体存在稳定性差的问题,为了更好的扩大脂质体在食品中的应用,常利用聚合物,如壳聚糖、黄原胶体、聚环氧乙烷等形成纳米纤维或膜对脂质体表面进行包裹以达到保护效果。CUI等[60]通过静电纺丝技术修饰SiO2-丁香酚脂质体后并应用于牛肉保鲜中,肉品在长达60 d的贮存期间表现出稳定的抗氧化活性,有效延长牛肉货架期。同时胡杨兵[63]研究证明经过壳聚糖包裹的精油脂质体提高了脂质体材料的热稳定性,且相比于普通脂质体抗氧化性能提升。上述结果充分说明了精油脂质体在肉品保鲜领域应用中有进一步的研究价值。

4 展望

PEO脂质体包埋技术的研究与应用,增强了食品体系中PEO的稳定性和生物利用率,改善食品品质,延长货架期。因此,PEO脂质体的研发与推广将为食品贮藏保鲜领域提供一条新的发展路线。虽然目前对PEO脂质体的制备及应用的研究有一定的进展,但仍有很多问题亟待解决。首先,食品安全是消费者关注的重点,脂质体包封PEO运用在食品贮藏保鲜上,前提需保证脂质体膜材的安全性;第二,脂质体的传统制备方法不适用于大规模生产,且存在包封率低和有机物残留等问题;第三,脂质体与活性物质的相互作用机理模糊,精油从脂质体中释放以及作用于不同食品基体的动态变化规律尚不清楚;第四,不同PEO脂质体都有各自优势的抑菌和抗氧化特性,单一应用在食品中可能达不到预期的保藏效果。

针对以上问题,关于PEO脂质体的研究建议关注以下方面:a)开发新型脂质体膜材,提高稳定性、安全性,并降低成本;b)在传统制备方法的基础上开发新方法,将常规方法与新技术(如超临界流控技术、超声等)联用,更有利于开发安全、稳定性高且包封效率好的PEO脂质体;c)通过构建模型进一步研究PEO脂质体、不同食品状态之间的相互作用以及PEO从脂质体中缓释和在基体中的迁移规律;d)由于不同食品中类存在状态不同、菌相不同,可有针对性研究具体的PEO脂质体配方,有效延长食品的保鲜时间,为精油脂质体在食品领域应用提供一定参考;e)同时为各类食品达到更好的防腐保鲜效果,可尝试运用栅栏技术,将PEO脂质体与各类保鲜技术联用(如气调、真空包装、辐射处理等),减少PEO使用,降低成本,并有效延长食品的贮藏时间。因此,尽管PEO脂质体的应用受到诸多挑战,但随着研究的深入,PEO脂质体将具有广泛的应用前景。